為了達(dá)到超亮，今天的頂級(jí)激光雷達(dá)系統(tǒng)（LiDAR）采用了100多個(gè)半導(dǎo)體激光器，其固有的發(fā)散光束通過(guò)手動(dòng)安裝的復(fù)雜透鏡設(shè)置進(jìn)行準(zhǔn)直。這種復(fù)雜性增加了成本，使激光雷達(dá)導(dǎo)航汽車(chē)對(duì)大多數(shù)消費(fèi)者來(lái)說(shuō)遙不可及。
當(dāng)然，其他類型的激光也能產(chǎn)生超亮的光束，例如，主導(dǎo)工業(yè)應(yīng)用市場(chǎng)的二氧化碳和光纖激光器。但與半導(dǎo)體激光器相比，它們太巨大了。高功率二氧化碳激光器可以像冰箱一樣大，而且更貴，能效更低，更難控制。
京都大學(xué)（Kyoto University）團(tuán)隊(duì)致力于開(kāi)發(fā)一種新型半導(dǎo)體激光器，這種激光器突破了傳統(tǒng)激光器的亮度上限，被稱為光子晶體表面發(fā)射激光器（PCSEL）。最近，該團(tuán)隊(duì)制造了一種可以像氣體和光纖激光器一樣亮的PCSEL，亮到足以快速切開(kāi)鋼鐵，并提出一種亮度為10-100倍的設(shè)備原型設(shè)計(jì)。這種PCSEL設(shè)備可能會(huì)徹底改變制造業(yè)和汽車(chē)業(yè)，隨著亮度進(jìn)一步提高甚至可能打開(kāi)慣性約束核聚變和航天光推進(jìn)等場(chǎng)景和一些奇異應(yīng)用的大門(mén)。

在洞穴里探索

PCSELs的神奇之處在于其獨(dú)特的構(gòu)造。像任何半導(dǎo)體激光器一樣，PCSEL由一層薄薄的發(fā)光材料組成，稱為活性層，夾在包層之間，好像兩片面包之間夾著一片火腿的三明治。
如果這個(gè)三明治是一個(gè)傳統(tǒng)的半導(dǎo)體激光器，光束將是從遠(yuǎn)離你的那個(gè)邊緣發(fā)出的。傳統(tǒng)激光器中，光束是通過(guò)使電流流過(guò)有源“ham”層中的條紋而產(chǎn)生的。受激的ham原子自發(fā)釋放光子，這些光子刺激相同光子的釋放，從而放大光。條紋兩端的鏡子反復(fù)反射這些波；由于干擾和損耗，只有某些頻率和空間模式得以維持。當(dāng)一個(gè)模式的增益超過(guò)損耗時(shí)，光會(huì)以同調(diào)光束的形式出現(xiàn)，我們就說(shuō)激光以這個(gè)模式振蕩。
這種標(biāo)準(zhǔn)條紋方法的問(wèn)題是很難在不犧牲光束質(zhì)量的情況下增加輸出功率。半導(dǎo)體激光器的功率受到發(fā)射面積的限制，因?yàn)檫^(guò)于集中的光線會(huì)對(duì)半導(dǎo)體造成災(zāi)難性的損害。你可以通過(guò)加寬條紋來(lái)提供更大的功率，這就是所謂的大面積激光器所采用的策略。但是，較寬的條紋也為振蕩光提供了空間，讓它們沿著曲折的路徑行進(jìn)，形成了所謂的高階橫向模式。
該模式是傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器亮度達(dá)到100MW/cm2/sr左右的原因。PCSELs通過(guò)在三明治中添加另一層來(lái)處理不想要的模式：“瑞士奶酪”層。這種特殊的額外層是一個(gè)印有二維納米孔陣列的半導(dǎo)體片。通過(guò)調(diào)整孔的間距和形狀，我們可以控制激光器內(nèi)部的光傳播，使其僅在基模下振蕩，即使發(fā)射區(qū)域擴(kuò)大。結(jié)果是光束既強(qiáng)又窄，也就是說(shuō)“很亮”。
由于其內(nèi)部物理特性，PCSELs的工作方式與邊緣發(fā)射激光器完全不同。例如，PCSEL三明治發(fā)出的光束現(xiàn)在會(huì)向上輻射，穿過(guò)最上面的一片面包，而不是背向你。為了解釋這種不尋常的發(fā)射，以及為什么PCSELs可以比其他半導(dǎo)體激光器亮幾個(gè)數(shù)量級(jí)，我們必須首先描述瑞士奶酪的材料屬性——實(shí)際上，這是一種稱為光子晶體的迷人結(jié)構(gòu)。

光子晶體是如何工作的？

光子晶體控制光流的方式類似于半導(dǎo)體控制電子流的方式。然而，光子晶體的晶格不是原子，而是由更大的實(shí)體——如孔、立方體或圓柱——雕刻而成，排列成折射率在光的波長(zhǎng)范圍內(nèi)周期性變化。雖然人工構(gòu)建這些神奇材料的探索始于40年前，科學(xué)家們后來(lái)發(fā)現(xiàn)它們已經(jīng)存在于自然界中。例如，蛋白石、孔雀羽毛和一些蝴蝶翅膀，它們燦爛的彩虹色都?xì)w功于這些天然光子晶體中復(fù)雜的光效作用。
理解光在光子晶體中如何運(yùn)動(dòng)是PCSEL設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。我們可以通過(guò)研究晶體的光子能帶結(jié)構(gòu)來(lái)預(yù)測(cè)這種行為，光子能帶結(jié)構(gòu)類似于半導(dǎo)體的電子能帶結(jié)構(gòu)。一種方法是繪制頻率和波數(shù)之間的關(guān)系，波數(shù)是晶體晶格中一個(gè)晶胞內(nèi)的波周期數(shù)。
正如三菱（Mitsubishi）團(tuán)隊(duì)所展示的，分布反饋（DFB）激光器可以被引誘而展現(xiàn)出其他把戲。例如，當(dāng)團(tuán)隊(duì)將凹槽間距設(shè)置為等于設(shè)備中的激光波長(zhǎng)時(shí)，一些振蕩光向上衍射，導(dǎo)致激光不僅從其活動(dòng)條紋的微小前沿發(fā)出，還從條紋的頂部發(fā)出。然而，由于條紋寬度較窄，這種表面光束呈扇形散開(kāi)，這也使得難以增加輸出功率。
令野田（Susumu Noda）失望的是，團(tuán)隊(duì)試圖在不引起其他問(wèn)題的情況下加寬條紋來(lái)增加亮度，但沒(méi)有成功。然而，這些早期的失敗埋下了一個(gè)有趣的想法：如果激光可以在兩個(gè)維度而不是一個(gè)維度上控制，那又會(huì)怎么樣？

提高亮度

20多年來(lái)，京都大學(xué)野田小組一直研究和探索2D和3D光子晶體。1998年中期，他在三菱電氣公司工作時(shí)制造了第一臺(tái)PCSEL，從那以后，他們改進(jìn)了這種設(shè)計(jì)，使其具有多種功能，包括高亮度。
在基本PCSEL中，光子晶體層是一個(gè)2D方形晶格：每個(gè)晶胞是一個(gè)由四個(gè)孔圍成的正方形。雖然2D光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)比1D晶體更復(fù)雜，但它同樣揭示了預(yù)期駐波形成的奇點(diǎn)。該裝置利用相鄰孔洞之間的距離為一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)出現(xiàn)的奇異點(diǎn)。例如，工作在940納米的砷化鎵激光器的內(nèi)部波長(zhǎng)約為280納米（考慮到折射率和溫度）。

因此，基本砷化鎵PCSEL中的空穴應(yīng)該相隔280納米。當(dāng)活性層中產(chǎn)生這種長(zhǎng)度的波時(shí)，相鄰光子晶體層中的孔就像微小的鏡子一樣，將光向后和側(cè)向彎曲。多個(gè)這種衍射的組合效應(yīng)產(chǎn)生了2D駐波，該駐波然后被有源層放大。有些振蕩光也會(huì)上下繞射，從激光頂端漏出，產(chǎn)生單一波長(zhǎng)的表面光束。
這種設(shè)計(jì)湊效的一個(gè)關(guān)鍵原因是半導(dǎo)體和孔內(nèi)空氣之間的大折射率差異。正如野田在制造第一臺(tái)設(shè)備時(shí)發(fā)現(xiàn)的那樣，像DFB激光器一樣，低折射率對(duì)比度的光子晶體激光器不會(huì)相干振蕩。與DFB激光器不同的是，PCSEL的表面發(fā)射區(qū)域很寬，通常是圓形的。因此，它可以產(chǎn)生具有更低發(fā)散度的更高質(zhì)量的光束。
2014年，該小組報(bào)告說(shuō)，具有三角形孔的正方形點(diǎn)陣和200×200微米發(fā)射面積的PCSEL可以在1瓦左右連續(xù)工作，同時(shí)保持僅發(fā)散約2度的點(diǎn)狀光束。傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的光束發(fā)散度通常超過(guò)30度，相比之下，這種性能是顯著的。下一步是提高光功率，為此團(tuán)隊(duì)需要一個(gè)更大的設(shè)備。但是卻遇到了一個(gè)障礙。
根據(jù)理論模型，使用單晶格設(shè)計(jì)的PCSELs在不引入討厭的高階橫向模式的情況下不能生長(zhǎng)到大于約200微米。在PCSEL中，當(dāng)駐波的強(qiáng)度由于重復(fù)衍射產(chǎn)生的干涉圖案以多種方式分布時(shí)，將會(huì)形成多種模式。在基本的理想模式中，強(qiáng)度分布類似富士山（Mount Fuji），大部分振蕩光集中在晶格的中心。同時(shí)，每個(gè)高階模式有2個(gè)、3個(gè)、4個(gè)或更多的富士山。因此，當(dāng)激光的發(fā)射區(qū)域相對(duì)較小時(shí)，高階模式的強(qiáng)度峰值位于晶格邊緣附近。因此，它們的大部分光會(huì)從裝置的側(cè)面漏出，阻止這些模式振蕩并對(duì)激光光束有所貢獻(xiàn)。但和傳統(tǒng)的激光器一樣，擴(kuò)大發(fā)射面積可以為更多的振蕩模式騰出空間。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)在光子晶體層中添加了另一組孔洞，創(chuàng)造了一個(gè)雙晶格。在最成功的版本中，一個(gè)由圓形孔組成的正方形格子，與另一個(gè)由橢圓形孔組成的正方形格子相比，偏移了1/4波長(zhǎng)。因此，晶體內(nèi)部的一些衍射光會(huì)發(fā)生破壞性干涉。這些抵消導(dǎo)致橫向模式的強(qiáng)度峰值減弱和擴(kuò)展。因此，當(dāng)我們擴(kuò)大激光的發(fā)射區(qū)域時(shí)，高階模式的光仍然會(huì)大量泄漏，而且不會(huì)振蕩。
使用這種方法，團(tuán)隊(duì)制作了一個(gè)直徑為1毫米的圓形發(fā)射區(qū)PCSEL，顯示可以在連續(xù)工作下產(chǎn)生10瓦的光束。光束的發(fā)散度只有1/10度，比上一代的200微米更細(xì)、更準(zhǔn)，亮度是傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器的3倍多。當(dāng)然，我們的裝置還具有單模振蕩的優(yōu)勢(shì)，這是同等尺寸的傳統(tǒng)激光器所不能做到的。
提高PCSEL亮度需要進(jìn)一步創(chuàng)新。在較大的直徑下，單靠雙晶格方法不足以抑制高階模式，因?yàn)樗鼈儠?huì)再次振蕩。然而，我們已經(jīng)觀察到，這些模式離開(kāi)激光器有點(diǎn)歪斜，這引起了我們對(duì)背面反射器的注意，想象一張錫紙襯在你的火腿和瑞士三明治底部。
在前幾代設(shè)備中，這種反射器只是用來(lái)將向下衍射的光從激光器的發(fā)射表面向上反射出去。通過(guò)調(diào)整位置（以及光子晶體孔的間距和形狀），我們發(fā)現(xiàn)可以控制反射，使它們以一種有用的方式干擾光子晶體層內(nèi)振蕩的2D駐波。這種干涉或耦合本質(zhì)上導(dǎo)致離開(kāi)的波損失一些能量。離開(kāi)的波越斜，損失的光就越多。
這就是為什么在2023年，我們開(kāi)發(fā)了一種PCSEL，其亮度為1GW/cm2/sr，可與氣體和光纖激光器相媲美。它的發(fā)射直徑為3毫米，可以連續(xù)發(fā)射高達(dá)50瓦的激光，同時(shí)保持光束發(fā)散度只有二十分之一度。我們甚至用它來(lái)切割鋼鐵。當(dāng)明亮美麗的光束在100微米厚的金屬板上雕刻出一個(gè)圓盤(pán)時(shí)，我們整個(gè)實(shí)驗(yàn)室的人都聚在一起，驚訝地看著。

向更強(qiáng)大的千瓦級(jí)PCSELs邁進(jìn)

盡管鋼切片演示令人印象深刻，但PCSELs必須更加強(qiáng)大，才能在工業(yè)市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)。例如，制造汽車(chē)零件需要千瓦級(jí)的光功率。
制造一個(gè)可以處理這種功率的PCSEL應(yīng)該是相當(dāng)簡(jiǎn)單的——要么組裝一個(gè)包含9個(gè)3毫米PCSEL的陣列，要么將我們當(dāng)前設(shè)備的發(fā)射面積擴(kuò)大到1厘米。在這個(gè)尺寸下，高階模式會(huì)再次出現(xiàn)，降低光束質(zhì)量。但是，因?yàn)樗鼈內(nèi)匀幌窀吖β蕷怏w和光纖激光器一樣亮，這種千瓦級(jí)的PCSELs可能會(huì)開(kāi)始取代體積更大的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。
要真正改變游戲規(guī)則，1厘米的PCSELs需要通過(guò)抑制那些高階模式來(lái)提高等級(jí)。我們已經(jīng)設(shè)計(jì)出一種方法，通過(guò)微調(diào)光子晶體結(jié)構(gòu)和反射器的位置來(lái)做到這一點(diǎn)。雖然我們尚未在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試這種新配方，但我們的理論模型表明，它可以將PCSEL亮度提高10-100GW/cm2/sr。想象一下，當(dāng)如此集中的光從一個(gè)微小的封裝中發(fā)出時(shí)，我們就可以制造出各種獨(dú)特而復(fù)雜的產(chǎn)品。
特別是對(duì)于那些高功率應(yīng)用，我們需要提高激光器的能效和熱管理。即使沒(méi)有任何優(yōu)化，PCSELs的“墻上插頭”效率已經(jīng)達(dá)到30-40%，超過(guò)了大多數(shù)二氧化碳和光纖激光器。此外，我們發(fā)現(xiàn)了一條我們認(rèn)為可以達(dá)到60%效率的途徑。至于熱管理，我們今天在實(shí)驗(yàn)室使用的水冷技術(shù)應(yīng)該足以滿足1000瓦、1厘米的PCSEL。
高亮度PCSELs還可以用于制造更小、更便宜的傳感器系統(tǒng)，用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)和機(jī)器人。最近，我們用500微米的PCSEL建立了一個(gè)激光雷達(dá)系統(tǒng)。在脈沖操作下，我們以大約20W的功率運(yùn)行，得到了非常明亮的光束。即使在30米處，光斑大小也只有5厘米。如此高的分辨率對(duì)于沒(méi)有外部鏡頭的緊湊型激光雷達(dá)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是聞所未聞的。然后，我們將原型——大約有網(wǎng)絡(luò)攝像頭大小——安裝在機(jī)器人推車(chē)上，并對(duì)它們進(jìn)行編程，讓它們?cè)诠こ檀髽侵車(chē)S我們和其他人。
在另一項(xiàng)工作中，我們展示了PCSELs可以發(fā)射多束光束，這些光束可以通過(guò)電子控制指向不同的方向。這種片上光束控制是通過(guò)改變光子晶體層中孔的位置和尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)的。最終，它可以取代激光雷達(dá)系統(tǒng)中的機(jī)械光束控制。如果光探測(cè)器也集成在同一個(gè)芯片上，這些全電子導(dǎo)航系統(tǒng)將會(huì)非常小型化和低成本。
盡管這是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但我們最終希望制造出輸出功率超過(guò)10千瓦、光束亮度高達(dá)1000GW/cm2/Sr的3厘米激光器——比目前存在的任何激光器都要亮。在這樣的極端亮度下，PCSELs可以取代巨大的、耗電的二氧化碳激光器，后者用于為極紫外光刻機(jī)產(chǎn)生等離子體脈沖，從而使芯片制造更加高效。他們同樣可以推進(jìn)實(shí)現(xiàn)核聚變的努力，這一過(guò)程包括向豌豆大小的燃料艙發(fā)射數(shù)萬(wàn)億瓦的激光功率。異常明亮的激光也提高了太空飛行中光推進(jìn)的可能性。屆時(shí)，到達(dá)遙遠(yuǎn)的星球不再需要幾千年，光驅(qū)動(dòng)的探測(cè)器只需幾十年就能完成旅程。
這可能是老生常談，如何描述人類創(chuàng)造力的下一個(gè)篇章，我們想不出更恰當(dāng)?shù)念A(yù)測(cè)：正如他們所說(shuō)，未來(lái)是光明的。（編譯：鐠元素）